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Pseudomonas aeruginosa ist ein metabolisch vielseitiger, multiresistenter, opportunistischer Krankheitserreger. Die metabolische Flexibilität wird durch ein großes Genom ermöglicht, das für zahlreiche regulatorische Gene, Zweikomponentensysteme, sowie für viele Gene kodiert, die am Transport und Metabolismus verschiedener Energiequellen beteiligt sind. Ein globales Regulationssystems stellt die Katabolitrepression dar, die neben metabolischen Prozessen auch entscheidend für die Modulation virulenzassoziierter Prozesse ist. In dieser Studie wurde die Beteiligung der beiden Hauptakteure der Katabolitrepression, des post-transkriptionellen Regulators Hfq und der Hfq-bindenden RNA CrcZ hinsichtlich der Biofilmbildung und Antibiotikaempfindlichkeit untersucht. Unter Bedingungen, die den Atemwegen von Mukoviszidose-Patienten ähneln, war Hfq essenziell für die Bildung anoxischer Biofilme. Dies wurde auf die Regulation eines zentralen Schrittes der Denitrifikation durch Hfq zurückgeführt. CrcZ war unter diesen Bedingungen die am häufigsten an Hfq gebundene RNA. Damit reduziert CrcZ indirekt die Bildung anoxischer Biofilme. Unter diesen Bedingungen trägt der anaerobe Transkriptionsregulator Anr zur anoxischen Transkription von crcZ bei. Weitere Studien indizierten, dass der Sigmafaktor RpoN an der Expression des anr Gens beteiligt ist. P. aeruginosa hfq Deletionsmutanten zeigten eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Klassen von Antibiotika. Eine RNAseq-basierte Transkriptomstudie wies darauf hin, dass Hfq die Antibiotikasensitivität moduliert, indem es an der Regulation des Energiestoffwechsel, der Zellwand- und Lipopolysaccharid-(LPS)-Synthese, der Aufnahme und dem Efflux von Antibiotika, sowie der c-di-GMP-Synthese beteiligt ist. Da CrcZ als Antagonist für die Hfq-vermittelte Regulation wirkt, wurde eine Strategie entwickelt, um die kontrollierte Synthese von CrcZ als ein Werkzeug zur (Re-) Sensibilisierung von P. aeruginosa gegenüber Antibiotika zu nutzen. In P. aeruginosa dienen die äußeren Membranproteine OprD und OpdP als Eintrittspforte für Carbapenem Antibiotika. Im Rahmen dieser Studien wurde gezeigt, dass Hfq durch zwei unterschiedliche molekulare Mechanismen zur translationalen Repression von oprD und opdP beiträgt. Die negative Kontrolle von oprD mRNA erfolgt durch Riboregulation, wobei Hfq zusammen mit den kleinen regulatorischen RNAs ErsA und Sr0161 die Translation hemmt. Im Gegensatz dazu wird die Translation von opdP durch einen regulatorischen Komplex, bestehend aus Hfq und dem Katabolit-Repressionsprotein Crc, unterdrückt.

Pseudomonas aeruginosa (PA) can thrive in anaerobic biofilms in the lungs of cystic fibrosis (CF) patients. Here, we show that CrcZ is the most abundant PA14 RNA bound to the global regulator Hfq in anoxic biofilms grown in cystic fibrosis sputum medium. Hfq was crucial for anoxic biofilm formation. This observation complied with an RNAseq based transcriptome analysis and follow up studies that implicated Hfq in regulation of a central step preceding denitrification. CrcZ is known to act as a decoy that sequesters Hfq during relief of carbon catabolite repression, which in turn alleviates Hfq-mediated translational repression of catabolic genes. We therefore inferred that CrcZ indirectly impacts on biofilm formation by competing for Hfq. This hypothesis was supported by the findings that over-production of CrcZ mirrored the biofilm phenotype of the hfq deletion mutant, and that deletion of the crcZ gene augmented biofilm formation. To our knowledge, this is the first example where competition for Hfq by CrcZ cross-regulates an Hfq-dependent physiological process unrelated to carbon metabolism.

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